Как Treesearch изучает секреты лесных материалов с помощью синхротронной науки

Сотрудничество в масштабе обеспечивает смысл для Поиск по дереву, амбициозная шведская инициатива в области НИОКР, объединяющая междисциплинарные группа ученых и инженеров из научных кругов, промышленности и государственных учреждений в рамках открытой исследовательской платформы, ориентированной на «биоэкономику будущего». Если немного увеличить масштаб, становится очевидным, что эта всеохватывающая миссия превращается в широкомасштабную задачу, которая охватывает фундаментальную науку, технологические инновации и повышение квалификации для создания нового поколения передовых материалов из леса.

В совокупности в консорциуме Treesearch представлено более 510 исследователей (и 190 проектов), работа которых разделена на четыре тематические области: древесина и компоненты древесины (структура и модификация); биопереработка материалов и химических систем; изготовление систем материалов; и передовые концепции материалов (дизайн и функциональность). «Одним из основных приоритетов Treesearch является помощь нашим академическим и отраслевым заинтересованным сторонам в доступе к передовой исследовательской инфраструктуре по всей Швеции», — пояснил Даниэль Содерберг, директор Treesearch и глава отдел технологии волокон и полимеров в Королевском технологическом институте (KTH) в Стокгольме.

Не менее важно, сказал он делегатам на Конференция Treesearch Insight в Лунде, «открывает двери для специализированной технической поддержки, необходимой для наилучшего использования таких передовых экспериментальных инфраструктур». Рассматриваемые объекты варьируются от Национальный центр электронной микроскопии высокого разрешения (nCHERM) в Лундском университете (на юго-западе Швеции). угол) к Лаборатория рентгеновской микротомографии в Технологическом университете Лулео (1500 км на северо-востоке страны), а также обширная сеть специализированных исследовательских центров между ними, среди которых Научный центр Валленберга Вуда и Научно-исследовательские институты Швеции (РОСТ).    

Синхротронные идеи

Флагманским партнером Treesearch в этом отношении является Установка синхротронного излучения MAX IV в Лунде. Глобально значимый, MAX IV является одним из элитных кадров крупномасштабных рентгеновских источников, которые проливают свет на структуру и поведение материи на атомном и молекулярном уровне в ряде фундаментальных и прикладных дисциплин — от технологий чистой энергии до фармацевтики и здравоохранения, от структурной биологии до квантовой науки и культурного наследия.

Что касается основных строительных блоков, этот источник света четвертого поколения, который был открыт в 2016 году, состоит из линейного ускорителя электронов, а также колец для накопления электронов на 1.5 и 3 ГэВ (два кольца оптимизированы для производства мягкого и жесткого рентгеновского излучения соответственно). Помимо подачи пучка на короткоимпульсную установку, линейный ускоритель служит инжектором полной энергии для двух накопительных колец, которые, в свою очередь, генерируют рентгеновские фотоны, которые извлекаются для пользовательских экспериментов по 16 специализированным лучевым линиям.

Последнее дополнение к MAX IV, Луч ForMAX, открытый для пользовательских экспериментов в ноябре 2022 года и посвященный исследованиям устойчивых древесных материалов из леса (хотя он также будет поддерживать рентгеновские исследования других сложных материалов, таких как продукты питания, текстиль и кости). Сотрудничество снова в центре внимания: затраты на строительство ForMAX в размере 100 миллионов шведских крон (7.5 миллионов фунтов стерлингов) финансируются Фонд Кнута и Алисы Валленберг (шведская благотворительная организация, поддерживающая научные исследования), а операционный бюджет в размере 80 миллионов шведских крон на 10 лет покрывают коммерческие партнеры (в основном компании целлюлозно-бумажной промышленности). Время луча ForMAX распределяется соответствующим образом: 50% экспериментов должны проводиться членами Treesearch, а оставшаяся часть предлагается через открытые звонки более широкому исследовательскому сообществу.

«Благодаря ForMAX академические круги и отраслевые партнеры Treesearch имеют выделенную точку доступа к исследовательской среде MAX IV», — пояснил Содерберг. «Таким образом, линия луча поддерживает обширную уникальную компетенцию в синхротронной науке и со временем позволит разработать экологически чистые продукты на основе древесины для замены сегодняшних пластиковых продуктов».

В лес

По большей части время луча ForMAX будет поддерживать фундаментальные и прикладные исследования древесных материалов, обеспечивая на месте структурная характеристика в масштабе от нанометра до миллиметра путем объединения рентгеновской микротомографии полного поля, мало- и широкоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SWAXS) и сканирования SWAXS-изображения в одном приборе. Для контекста система микротомографии ForMAX использует падающие рентгеновские лучи для создания плоских поперечных сечений образца, которые можно использовать для воссоздания виртуальной 3D-модели (в масштабах длины от 1 мм до 1 микрона). Установка SWAXS, с другой стороны, опирается на два дискретных детектора для сбора рентгеновских спектров, рассеянных от образца под разными углами: WAXS дает структурную информацию в масштабе до 1 нм, а SAXS используется для исследований мягких материалов — например, полимерных, коллоидных и биологических сборок — размером до нескольких сотен нм.   

Эта универсальность позволит исследователям исследовать структурную иерархию и составную природу древесины — от сети волокон и клеточной структуры в макроскопическом масштабе через упорядоченные сборки волокнистой матричной структуры и клеточных стенок в наномасштабе вплоть до целлюлозы, которая образует (частично) кристаллические строительные блоки на макромолекулярном уровне. «ForMAX улучшит наше понимание сложных взаимосвязей структура-функция в лесных материалах и пищевых продуктах в различных масштабах длины», — сказал Treesearch Insight Ким Нюгорд, менеджер по лучевой линии ForMAX.

ForMAX — это гибкий инструмент, который позволяет изучать материалы. на месте во время обработки и в реальных условиях

Ким Нюгард, менеджер по лучевой линии ForMAX

Примечательной особенностью ForMAX является возможность мультимодальной визуализации луча, последовательно сочетающая полнопольную микротомографию и SWAXS в одном эксперименте. «Быстрое и эффективное переключение между установками позволяет собирать данные визуализации и рассеяния на одном и том же образце», — отметил Нигард. Другими словами: микротомография полного поля, чтобы предоставить пользователю обзор трехмерной структуры и областей интереса, с локализованными SWAXS, которые затем используются для исследования структуры и ориентации на наноскопическом уровне (см. также «Универсальный дизайн: экспериментальная станция ForMAX» ниже).

«ForMAX — это гибкий научный инструмент, который также обеспечивает временное разрешение для изучения материалов. на месте во время обработки и в реальных условиях, таких как приложенная температура или давление», — добавил Нюгард. Уникальной особенностью линии луча является возможность RheoSWAXS, объединяющая современный реометр (поставляемый Антон Паар, австрийская метрологическая компания) с визуализацией в поляризованном свете и SWAXS для изучения динамики ориентации образцов древесины в диапазоне масштабов длины и в условиях стационарного и колеблющегося сдвига. Поскольку ориентированные при сдвиге нанокристаллы целлюлозы демонстрируют структурный цвет, такие исследования могут, например, проложить путь к использованию печатных суспензий целлюлозы вместо традиционных чернил в будущей упаковке на биологической основе.   

Подготовка к сиянию

Несмотря на то, что ForMAX работает чуть более шести месяцев, партнеры Treesearch, раннее внедрившие его, уже показывают путь своими первоначальными экспериментальными запусками. Показательным примером является сотрудничество между промышленностью и академическими кругами в области экологичной упаковки для пищевых продуктов на основе волокна с участием шведского упаковочного гиганта. Тетра Пак и исследователи в Технологический университет Чалмерса in Гётеборг.

Используя методы визуализации ForMAX SWAXS, Линнеа Бьорн из Чалмерса и Эскил Андреассон из Tetra Pak рассказали участникам Treesearch Insight о том, как их совместная группа — в тесном сотрудничестве с штатными учеными ForMAX — изучает наноструктуру материалов на основе волокна, чтобы оптимизировать состав и объем производства бумажных соломинок.

Если это кажется узким фокусом, то более широкий коммерческий императив очевиден: несмотря на растущий рыночный спрос на более устойчивые альтернативы пластиковой упаковке, производители, такие как Tetra Pak, должны гарантировать, что материалы на бумажной основе останутся безопасными для пищевых продуктов, пригодными для вторичной переработки и устойчивыми к жидкостям и влажности. Проще говоря, задача команды Chalmers-Tetra Pak состоит в том, чтобы понять взаимосвязь между смачиванием бумажной соломки различными жидкостями (например, водой и апельсиновым соком), а также влияние технологических процессов на наноразмерную структуру.

«Наш первый эксперимент в ForMAX позволил проанализировать, как материал бумажной соломки реагирует на изменения в окружающей среде в режиме реального времени, а также как соломинка взаимодействует с различными типами жидкостей в жестких условиях», — пояснил Андреассон, специалист по технологиям виртуального моделирования в Tetra Pak. «Эти идеи будут применяться для разработки бумажных соломинок будущего в наших инструментах компьютерного моделирования, что поможет нам улучшить их функциональность». В ForMAX уже ведется работа по дальнейшему сотрудничеству с Tetra Pak, включая использование 4D рентгеновская микротомография в режиме реального времени для изучения механизмов переноса воды в устойчивых бумажных соломинках.

Мы можем использовать синхротронную технологию для оптимизации наших производственных процессов или улучшения фундаментального понимания наших продуктов и их производительность

Кристоф Барбье, старший менеджер по исследованиям, Billerud

Применение синхротронного рентгеновского излучения в разработке продуктов было поддержано Кристофом Барбье, старшим научным руководителем в области физики бумаги в Billerud, шведском производителе целлюлозы и бумаги, который также специализируется на волокнистых упаковочных материалах для продуктов питания, напитков и медицинских изделий. «Мы можем использовать синхротронную технологию несколькими способами», — объяснил он в Treesearch Insight. «Например, для оптимизации наших производственных процессов или улучшения фундаментального понимания наших продуктов и их физических характеристик, а также для обеспечения превосходства продуктов и конкурентоспособности».

Барбье и его коллеги — давние приверженцы «большой науки», которые увидели преимущества синхротронных источников света вблизи. Ранее команда забронировала время луча в Объект DESY PETRA III в Гамбурге, Германия, для изучения основ механосорбционной ползучести (эффект, при котором штабелированные картонные коробки со свежими продуктами, например, неожиданно деформируются из-за растягивающей нагрузки, когда температура или влажность окружающей среды на складе превышают определенные пределы).

«Мы решили установить, что методы рассеяния рентгеновских лучей на основе синхротрона могут обнаруживать влияние механосорбционной ползучести на ультраструктуру волокон пульпы», — отметил Барбье. «Результаты достаточно обнадеживающие, чтобы гарантировать продолжение исследований этого явления с помощью SWAXS и, мы надеемся, в конечном итоге разработать соответствующие контрмеры».

Близость такова, что Биллеруд также готовится к дальнейшим исследованиям на линии луча ForMAX MAX IV. Текущие направления расследования, в сотрудничестве с Лаборатория 4D-визуализации в Лундском университете, включают использование рентгеновской микротомографии для характеристики «многослойной» упаковки (состоящей из многослойных или композитных материалов) и корреляции ее микромасштабных свойств с производительностью в массе под нагрузкой в ​​формовочных машинах.

«Treesearch открывает нам дверь в крупномасштабные исследовательские центры, такие как MAX IV», — заключил Барбье. «У таких объектов есть огромный потенциал для устранения пробелов в знаниях во многих областях, связанных с лесными материалами и устойчивыми продуктами».

Для получения дополнительной информации читатели могут получить доступ к тезисам постеров Treesearch Insight онлайн, включая исследования по умные материалы на биооснове для очистки воды; портативный Световой томограф на базе Raspberry Pi для образовательных и научных целейи синхротронные методы как инструмент исследования процесса варки древесной массы.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Автомобили / электромобили, Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/how-treesearch-is-studying-the-secrets-of-forest-materials-with-synchrotron-science/